"핵융합로 부재에 높은 내열성 요구" … 무산소동 소재 필수

순도 99.95% 이상의 동을 순동이라 하며, 특수 정련 기술을 통해 잔존 산소량을 10ppm 이하로 낮춘 순동을 무산소동(OFC, oxygen-free copper)이라 부른다.

이 무산소동은 우수한 열·전기전도성과 우수한 가공성으로 인해 전기차, 배터리, 초전도체 등 첨단기술의 핵심 부품소재로 각광받고 있다. 이번에는 ‘핵융합 발전’의 적용 예를 들면서 우리나라 동 생산현장을 살펴보기로 하자.

바닷물만 있으면 거의 무한정 전기를 생산할 수 있고 방사능 위험도 없고 온실가스도 배출하지 않는 청정 에너지생산이 가능한 핵융합 발전의 실현을 위해 많은 노력이 경주되고 있다, 프랑스에 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)가 대표적인 예다. 

한국을 비롯한 미국, 유럽, 중국, 일본, 인도, 러시아 7개국이 참여한 국제 공동 프로젝트인 ITER사업의 최종 목표는 2035년 원자력발전소 발전용량(1GW)의 절반수준인 500㎿의 열 출력을 내는 플라즈마를, 300~500초 이상 유지하면서 최적 운전방법을 찿아내는 것이다.

우리나라에서도 대전과학단지에 위치한 한국핵융합에너지연구원 주관으로 2007년 대한민국이 독자개발에 성공한 K-star 핵융합로에서 1억℃ 300초 유지를 목표로 연구개발이 계속 진행 중이다.

핵융합 반응은 자장에 갇힌 1억℃를 넘는 플라즈마 속에서 일어나 다이버터의 표면온도가 최고로 2,300℃에 이르기 때문에 핵융합로 부재에는 높은 내열성이 요구된다. 여기에 적용되는 핵심부품이 텅스텐(W) 디버터(Tungsten Mono Block Divertor)이며, 여기에는 작은 텅스텐(W) 블록 내부에 무산소동이 확산접합되어 있다(아래 그림 참조). 또한 ITER의 핵융합로 Vessel 코일에도 무산소동 소재가 필히 적용되어야 하며 부스바, 코일, 파이프 등의 형태의 부품으로 가공되고 있다. 

무산소동은 OFC1(C10100), OFC2(C10200), OFC3(C10300)로부터 함은동인 OFC4(C10400) OFC5(C10500),  OFC7(C10700) 등의 6종으로 분류된다, 이러한 ITER에 적용될 수 있는 다양한 무산소동 고품질 제품을 국내에서도 원활하게 조달할 수 있어야 할 것이다.

먼저 무산소동의 제조기술 측면에서 보면, 제조공정의 용해주조부터 단계별 충분한 사전 지식을 갖고 고진공 하에서 용탕 중의 각종 가스의 거동에 대한 충분한 지식과 물질이동 현상을 잘 이해하여 제조공정에 적용해야만 최고의 결과를 얻을 수 있다. 

따라서 국내 동 및 동합금 제조기술 및 양산기술에 대한 기본적인 기술 향상이 절대적으로 필요한 시점인 것 같다. 이와 더불어 무산소동 부품제조에 필수적인 용접 및 접합기술 개발도 고려해야 한다. 고진공 상황에서도 특성과 형상 변화가 없는 용접·접합기술 개발이 절대 필요하며, 특히 용가재나 접합 필러재 없이 다양한 형상과 이종 재료에 적용 가능한 직접 확산접합(DDB; Direct Diffusion Bonding) 기술 개발도 필요하다.

국내 동관련 소재·부품 기업들은 이러한 다양한 전기자동차, 초전도체등 첨단 분야의 요소 부품으로 사용되는 동 및 동합금 제품의 생산능력과 품질관리 능력도 향상시켜 세계 어디에 있는 사용처의 요구에도 부응할 수 있는 제품을 생산할 수 있는 연구 및 제조생산 능력을 가져야 할 것이다.

동 산업 분야는 대량 생산의 대기업과 소량.다품종의 중소기업 간의 상생.협력이 매우 중요하다. 특히 소품종 소량 특수 제품을 제조하기에 용이한 중소기업들의 제품관리 제품 수준을 세계 최고 수준으로 향상시킬 필요가 있다. 이러지 아니하면 중국 등 수준이 높아진 외국 제품들이 국내에 유입될 것이 확실하다,

국내 동 판재 제품을 예로 들며, 판형 상의 문제, 찍힘, 스크래치 등 기본적인 품질관리에도 소홀한 경우가 많다. 정말 정신 바짝 차리고 품질관리, 직원교육 및 제품개발 신제품 개발 등에 최선을 다 해야 할 것이다. 미래혁신 기술 및 연구개발에도 적극 나서야 한다.

정부, 산학연 관련단체 및 연구자들은 차세대 반도체와 전기차 요소 재료로 사용할 고내열 무산소동의 개발과 변색되지 않는 스텐레스 카파(Stainless Copper) 개발, 국민건강 고령화대응 항균제품 개발, 인간감성기반 디자인 카파(Copper) 감성제품 개발 등 세계적 수준에서 한발 앞선 신기술 신제품 개발에 박차를 가해야 할 것이다.